home
user-header

                        
                        
Новости материаловедения
20 июня 2018 г., 21:20 327

Дайджест новостей химии и материаловедения: Российские и чешские ученые подобрали вид и концентрацию веществ, способствующие не только снижению загрязнения почвы тяжелыми металлами, но и восстановлению биома. В Институте катализа СО РАН создан дешевый катализатор для получения чистого водорода из биотоплива. Специалисты из Нижегородского госуниверситета создали композитные материалы типа керамика-керамика и керамика-металл для последующей утилизации отходов атомных реакторов, плутония и минорных актинидов. Химики из Сколково, совместно с коллегами из Китая, нашли новый сверхтвердый материал - пентаборид вольфрама. Американские исследователи из Университета Райса изобрели экологически чистый бетон из отходов сжигания топлива. Вулкан Килауэа на Гавайских островах засыпал жителей драгоценным хризолитом. Химики Университета штата Орегон получили полупроводниковую пленку из сине-зеленых грибов.

Хризолит из Гавайев (Фото из твиттера Eric Jordan)


 

1. Органические остатки помогут бороться с загрязнениями тяжелыми металлами

Ученые из России и Чехии усовершенствовали технологию in-situ ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Исследователям удалось экспериментально подобрать вид и концентрацию вещества, внесение которого в загрязненные почвы не только снижает подвижность тяжелых металлов, но и стимулирует почвенный биом к самовосстановлению, а также снижает экологическую токсичность для почвенных организмов. Результаты исследования опубликованы в журнале Сhemosphere.

https://indicator.ru/imgs/2018/06/16/10/20874/f9114907d71929ec40874f5fb918ab7083836fb1.jpg

Wikimedia Commons

 

Разработка и поиск самых эффективных ремедиантов – веществ, восстанавливающих почву после загрязнения тяжелыми металлами – актуальная тема по всему миру ввиду того, что и площади загрязненных тяжелыми металлами земель непрерывно увеличиваются. Одна из самых «экологически» безопасных и доступных технологий на данный момент – внесение в почву углеродсодержащих веществ природного происхождения, которые сорбируют тяжелые металлы в почве и позволяют микробному сообществу почв самостоятельно восстановится.

 

Ученые из Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям (CDISE) Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из Чешского университета естественных наук (CZU) исследовали три вида дешевых и доступных веществ: биочар (уголь, прошедший специальную обработку), гуминовый препарат (органические вещества, образующиеся при разложении белков) и золу. В ходе экспериментов исследовалось влияние разных доз углеродсодержащих веществ на химические, биологические и токсикологические показатели высокозагрязенных тяжелыми металлами почв на протяжении 60 суток. В результате был подобран препарат, полученный из отходов растительного происхождения, который обеспечивал не только снижение мобильности тяжелых металлов в почвах, но и оказывал благоприятное действие на почвенную экосистему.

 

«Одними из самых перспективных, на наш взгляд, являются гуминовые препараты, оказавшие наиболее положительное влияние по всему комплексу исследованных показателей, но исследования в этой области будут продолжатся», — рассказывает научный сотрудник Сколтеха Мария Пукальчик.

 

2. Созданы новые нанокомпозиты для получения чистого водорода из биотоплива

Российские ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН создали нанокомпозитные материалы для мембран, позволяющих получать чистый водород. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.

https://indicator.ru/imgs/2018/06/08/09/20688/7d46dc0fee20188180cc92dcbdb79b8acc3ec0e2.jpg

Science Photo Library/Getty Images

 

Водород – самый легкий газ во Вселенной. Кроме своей легкости, он обладает рядом других очень важных свойств. Например, при его сгорании или переработке в топливном элементе выделяется огромное количество энергии, которую затем можно преобразовать в электроэнергию.

 

Потребность в водородном топливе растет каждый год, и, по прогнозам, в XXI веке нас ожидает резкий рост спроса на водород. Это будет связано с увеличением глубины добычи нефти, с развитием производства аммиака, метанола, жидкого топлива, процессов получения качественного железа и с развитием водородного транспорта.

 

Самый простой способ производства водорода – электролиз — процесс пропускания электрического тока через водный раствор определенных солей. Эффективность такого способа крайне низка, поэтому перспективным методом получения водорода сегодня считается конверсия главной составляющей природного газа – метана. Конверсия – это процесс превращения одних газов в другие, происходящий при высокой температуре. Так, из смеси метана и воды получается смесь из углекислого газа и водорода. Также в качестве исходного топлива для производства водорода с помощью конверсии можно использовать этиловый спирт (этанол). Чтобы повысить эффективность такого способа получения водорода, необходимо применять катализаторы – специальные материалы, ускоряющие течение реакции.

 

Сегодня для эффективного выделения водорода из смеси продуктов реакции используют специальные мембраны (упругие перепонки). Наиболее перспективны мембраны из плотных материалов. Они позволяют выделять водород из смеси газов, образующихся после процесса превращения, но не пропускают молекулы исходных веществ (метана или этанола) и побочных продуктов, таких как угарный и углекислый газы. В химическом реакторе на контактирующую с топливной смесью поверхность мембран наносится пористый слой катализатора, в котором и протекают реакции паровой конверсии биотоплив (метана или этанола). Водород из смеси продуктов переносится через мембрану на другую сторону, после чего его можно выделить и использовать.

 

Ученые из Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН разработали нанокомпозитный материал, состоящий из вольфрамата неодима и наночастиц сплава никеля с медью. Он хорошо проводит через себя водород и обладает высокой стабильностью в рабочих условиях. Ученые нанесли тонкие слои этого нанокомпозита на подложку из никель-алюминиевого пеносплава, а затем покрыли его пористым слоем катализатора. Это позволило создать каталитические мембраны для получения чистого водорода из биотоплива.

C83fcab861a08746339d9a3fc7c768a692e9ea5b

Схема изготовления мембраны (кольцо-«оправа», два серых цилиндра – пористая подложка на основе пены из никеля-алюминия, далее – наносимые слои: протонпроводящие (фиолетовый и оранжевый) и каталитический (зеленый)). (Изображение Владислав Садыков)

 

«В сравнении со стандартным материалом для мембран – палладием – или его сплавами, наши нанокомпозиты намного дешевле и их эффективность отвечает требованиям практики», – говорит доктор химических наук, заведующий лабораторией катализаторов глубокого окисления Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН Владислав Садыков.

 

В рамках проекта, поддержанного грантом РНФ, ученые определили важные физико-химические характеристики полученных материалов, включая водородную проницаемость мембран, рабочие параметры процессов паровой конверсии метана и этанола в мембранных реакторах, ресурс работы (время, в течение которого катализатор и мембрана могут функционировать без ухудшения своих свойств). Измерения показали, что полученные исследователями материалы позволяют эффективно проводить реакции конверсии топлив в мембранных реакторах с выделением чистого водорода и имеют характеристики и ресурс работы, соответствующие современным промышленным требованиям.

 

«Технология синтеза наших материалов и конструкция мембранного реактора отработаны на лабораторном уровне. Переход на пилотный уровень – задача ближайшего будущего. Для внедрения каталитических мембран на промышленном уровне требуется существенно больше вложений», – резюмирует Владислав Садыков.

 

3. Созданы композиты для ядерных реакторов нового поколения

Исследователи применили способ получения композиционных материалов керамика-керамика и керамика-металл на основе минералоподобных соединений (в частности, граната). Такие соединения пригодятся для решения проблем с запасами плутония и иных трансурановых элементов (МА, minor actinides), накопленных за многие годы. Оптимальным выходом из этой ситуации, по мнению исследователей, будет создание высокоплотных керамических композиционных инертных топливных матриц (IMF) для дожигания плутония и трансмутации MA. По результатам авторы опубликовали две статьи: в Materials Research Bulletin и Materials Chemistry and Physics.

https://indicator.ru/imgs/2018/06/19/14/20950/75032ebc8d9438dc91fccfc8cdbba8b9d4a1072f.jpg

Фото Pixabay

 

К основным недостаткам минералоподобных керамических материалов на основе граната, при всех их достоинствах с точки зрения использования в ядерной энергетике, относятся их низкая теплопроводность и малая трещиностойкость. Первый фактор может приводить к дополнительному нагреванию за счет радиогенного тепла и, как следствие, к понижению химической устойчивости. Низкая трещиностойкость керамик способствует появлению микротрещин, которые также уменьшают химическую стойкость материалов.

 

92273749fc7bbff61bb2151d988dedd637c9a03d

Кристаллическая структура иттрий-алюминиевого граната (Пресс-служба ННГУ имени Н.И. Лобачевского)

 

«В связи с этим весьма перспективной представляется идея создания композитов "керамика — керамика" и "керамика — металл", — говорит соавтор работы Людмила Головкина из Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского. — В таком материале, при правильном выборе компонента, вторая фаза (керамическая или металлическая) могла бы обеспечить и повышение теплопроводности, и повышение трещиностойкости».

 

Под руководством доктора химических наук Альбины Орловой из ННГУ были разработаны и исследованы мелкозернистые композиты на основе граната Y2.5Nd0.5Al5O12 с добавками высокотеплопроводящих металлов (никель, молибден, вольфрам) и карбида кремния, обладающих малым сечением захвата нейтронов. Неодим в составе иттрий-алюминиевого граната моделировал присутствие в составе керамики америция и кюрия.

 

Для того, чтобы получить порошковые композиции «гранат—металл», ученые разработали и применили новый способ нанесения тонких слоев металлов на поверхность синтезированных субмикронных частиц граната. Для спекания порошков и получения керамик использовался метод высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания — один из перспективных способов получения керамик и композитов. В ходе этого метода порошки спекаются с высокой скоростью за счет того, что через них пропускают мощные миллисекундные импульсы постоянного тока (до 5000 ампер), одновременно прилагая к ним высокое давление.

 

Ac4c65f838463bdb0e2ed4a4879ffc15fe35eaca

Диаграммы спекания мелкозернистых композитов YAG-SiC: зависимости усадки (а) и скорости усадки (b) от температуры нагрева (Golovkina L.S. et al./Materials Chemistry and Physics)

 

В результате ученые получили керамические композиты «гранат — металл» и «гранат — карбид кремния» с высокой относительной плотностью, составляющей 92-99% от теоретической величины для композитов «гранат-металл» и 98-99% для композитов «гранат — SiC». «Это позволило обеспечить высокую твердость и трещиностойкость композитов, а также их высокие теплофизические свойства (теплопроводность в интервале температур, близком к температуре использования этих материалов в новых перспективных реакторах на быстрых нейтронах), что, при прочих равных условиях, позволит снизить вероятность и интенсивность разрушения керамик в процессе работы реактора», — резюмирует Орлова.

 

Следующим шагом в развитии этой работы станет изучение радиационной стабильности и стойкости к термоударам новых композитов, которые позволят вплотную подойти к решению задачи разработки принципиально нового способа получения топлива для реакторов на быстрых нейтронах, а также решить задачу иммобилизации высокоактивных компонент радиоактивных отходов путем их надежного изолирования от биосферы.

 

4. Новый сверхтвердый материал «победит» победит

Химики из России и Китая предсказали новый сверхтвердый материал, который который можно будет применять в бурении, машиностроении и других областях. Он превосходит по своим свойствам победитовые сплавы, которые применяются в этих областях сегодня. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.

https://indicator.ru/imgs/2018/06/13/11/20785/39183e15f12f8ebb522f3ecff93ae6872f2006b0.jpg

blickpixel/Pixabay

 

Головки для буровых установок делают в основном из победита — сплава карбида вольфрама с кобальтом — с вкраплениями синтетических алмазов. Его создали в СССР в 1929 году, и с тех пор не появилось материала, который составил бы победиту конкуренцию в бурении, машиностроении, металлообработке и других областях. Существуют материалы тверже победита, но они либо сильнее подвержены трещинам, либо требуют более высокого давления при производстве.

 

Ученые из Сколковского института науки и технологий под руководством Артема Оганова создали алгоритм USPEX, с помощью которого предсказали новый материал борид вольфрама — WB5. Его можно синтезировать при нормальном давлении, при этом он может конкурировать с победитом по двум самым важным параметрам: твердости и устойчивости к трещинам. Уступая победиту по трещинностойкости на 20%, новый материал превосходит конкурента по твердости на 50%.

 

Чтобы обнаружить материал, ученые «перебрали» с помощью алгоритма множество групп химических соединений. В ходе работы исследователи получили несколько стабильных веществ с интересными свойствами, но с победитом они сравниться не могли. «В какой-то момент я даже подумал, что нам не удастся победить победит, и не зря этот материал удерживал свою нишу почти столетие», — рассказал руководитель исследования, профессор Сколтеха, Артем Оганов.

 

Перебрав множество вариантов, ученые наконец обнаружили подходящее вещество. К их удивлению оно оказалось в ряду уже давно изученных соединений. «Система вольфрам-бор была предметом огромного числа экспериментальных и теоретических исследований, и странно, что это соединение не было обнаружено до сих пор», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник Сколтеха Александр Квашнин.

 

5. Изобретен экологически чистый бетон из летучей золы

Это первый удачный опыт по производству бетона на основе пятипроцентного натриевого активатора.

 

Инженеры из Университета Райса (США) создали «зеленый» бетон, в составе которого нет цемента, но его прочность не уступает аналогу. Они опубликовали работу в журнале Journal of the American Ceramic Society.

 

Летучая зола — часть образующейся при сжигании угля золы, которая поднимается вместе с дымовыми газами. Она очень легкая и похожа на пыль. На ее основе американские исследователи сделали экологически чистый бетон.

 

Предыдущие попытки заменить вяжущее вещество — портландцемент — требовали дорогостоящих активаторов на основе натрия. Его обилие нивелировало экологическую выгоду альтернативы. Поэтому ученые искали другой рецепт смеси. Специалисты из Университета Райса воспользовались статистическим методом Тагути, чтобы определить оптимальную композицию вещества. По словам участника исследования Роузбеха Шазавари (Rouzbeh Shahsavari), это улучшило структурные свойства композитов и привело к балансу летучей золы, диоксида кремния, оксида кальция и пятипроцентного натриевого активатора.

 

Изображение слабых образцов (a,b,c) и прочных (d,e,f) / <em>Journal of the American Ceramic Society</em>

Изображение слабых образцов (a,b,c) и прочных (d,e,f) (Journal of the American Ceramic Society)

 

Вот как Шазавари сам прокомментировал работу: «Большинство прошлых изысканий уделяли внимание так называемой летучей золе типа F, которая получена от сжигания антрацита или битуминозных углей — они содержат мало кальция. Но в мире есть источники угля более низкого класса, такие как лигнит. При сжигании они производят золу типа C с высоким содержанием кальция. Ее активировать сложнее. Наше исследование позволяет эффективно и дешево активировать именно этот тип золы, что открывает путь к экологически чистому бетону, который не уступает в прочности обычному».

 

Ранее ученые из Университета Юты открыли секрет прочности древнеримского бетона.

6. Вулкан Килауэа изверг зеленые кристаллы

На жителей Гавайев посыпались крупицы полупрозрачного минерала оливина, который в чистом виде редко встречается в природе.

 

Извержение вулкана Килауэа породило много необычных феноменов — например, синее пламя, вырывающееся из-под земли. Сейчас обитатели острова сообщают о падении с неба зеленых кристаллов.

 

Эти кристаллы — оливины — магнезиально-железистые силикаты. Они настолько распространены на планете, что, по оценкам экспертов, составляют 50 процентов верхней мантии Земли. Во время извержения магма вымывает часть океанической коры, схожей по составу с мантией, поэтому темные магматические породы нередко приобретают зеленый оттенок. Однако в чистом виде оливин, который ювелиры обычно называют перидотом, найти трудно. Еще реже он падает с неба.

 

Обычно оливин выходит на поверхность вместе с медленно сочащейся лавой, поэтому и остается запертым в породах. В данном случае лава извергалась настолько резко и мощно, что ее частички охлаждались в воздухе, позволяя оливину быстро кристаллизоваться отдельно.

 

https://twitter.com/ErinJordan_WX/status/1006147665275453440?ref_src=twsrc%5Etfw&ref_url=https%3A%2F%2Fnaked-science.ru%2Farticle%2Fsci%2Fvulkan-kilauea-izverg-zelenye

«Мои друзья живут на Гавайях, рядом с районом, где совсем недавно извергалась лава. Посреди разрухи и страха неизвестного они обнаружили это: маленькие кусочки оливина валялись всюду. Буквально дождь из кристаллов. Природа удивительна».

 

https://twitter.com/GEOetc2/status/1005929454819074048/photo/1

«Несколько оливинов выскочили из потока. Маленькие драгоценности Килауэа».

 

В мае команда ученых из Колорадского университета в Боулдере отправилась с экспедицией в Коста-Рику, чтобы добыть образцы воды из лагуны Кальенте — озера, расположившегося в вулкане Поас. Найденные там микробы помогут в изучении Марса.

 

7. Химики получили полупроводник для оптоэлектроники из грибов

Американские химики получили органическую полупроводниковую пленку из сине-зеленого пигмента, выделенного из аскомицетных грибов. Оптические свойства и электропроводность делают эту пленку перспективным материалом для создания оптоэлектронных устройств, пишут ученые в MRS Advances.

Хлороцибория сине-зеленоватая (Chlorociboria aeruginascens) (Jymm / Wikimedia commons)

 

Если сейчас большинство пигментов для различных красок получают с помощью химического синтеза, то раньше для них использовались в основном красители естественного происхождения. Источником значительной части природных красителей являются минералы, но некоторые из них могут также добываться, например, из растений или грибов. Красящими компонентами в таком случае становятся органические молекулы с ароматическими элементами в структуре, которые поглощают часть излучения в видимом диапазоне спектра и приобретают таким образом цвет. Сейчас, в связи с активным развитием «зеленой химии» и стремлением снизить экологическую нагрузку со стороны химической промышленности, ученые пытаются частично вернуться к использованию материалов природного происхождения. При этом природные органические пигменты предлагают использовать не только как красители, но и, например, в качестве компонентов электронных устройств.

 

Группа химиков из Университета штата Орегон под руководством Оксаны Островерховой (Oksana Ostroverkhova) предложила использовать подобным образом сине-зеленый пигмент ксилиндеин, который выделяют из двух видов аскомицетных грибов рода хлороциборий: хлороцибории сине-зеленой (Chlorociboria aeruginosa) и хлороцибории сине-зеленоватой (Chlorociboria aeruginascens). Ксилиндеин — органический пигмент с хиноновой структурой, который раньше использовали для создания сине-зеленого красителя для деревянных материалов, устойчивого к воздействию солнечного света и перепаду температур.

 

Исследователи использовали это вещество в качестве компонента оптоэлектронных устройств, который поглощает свет в видимом диапазоне спектра. При этом для повышения устойчивости материала ксилиндеин, выделенный из грибов, выращенных в лабораторных условиях, химики смешали с полиметилметакрилатом.

 

Микрофотографии структуры аморфных пленок из ксилиндеина на поверхности электродов (G. Giesbers et al./ MRS Advances, 2018)

 

Оказалось, что если из такой смеси осадить пористую аморфную пленку на поверхность электродов, то она будет не только поглощать свет в видимой области, но еще и проводить электрический ток при приложении напряжения. Поскольку максимальное поглощение света происходит при длине волны около 670 нанометров, то для измерения фототока ученые использовали гелий-неоновый лазер с близкой длиной волны — 633 нанометра. Авторы работы отмечают, что при небольших напряжениях зависимость тока от напряжения в таких пленках имеет линейный характер, однако при напряжении примерно в 120 вольт становится квадратичной. При этом подвижность носителей заряда в таких пленках составила около 10-3 квадратных сантиметров в секунду при напряжении в один вольт.

 

Ученые отмечают, что проводимость в пленках ксилиндеина возникает за счет образования водородных связей и стэкинга — формирования стопок из плоских ароматических молекул из-за взаимодействия π-орбиталей атомов соседних молекул. Что интересно, добавление полиметилметакрилата при этом снижает скорость рекомбинации носителей заряда и примерно в два раза повышает эффективность материала по сравнению с пленками из чистого пигмента. Точный механизм этого явления авторы планируют изучить в дальнейших работах.

 

По словам ученых, предложенный материал они не рассматривают в качестве возможной замены, например, кремнию, однако устойчивость подобных органических полупроводниковых материалов и возможность получения из них гибких пленок делает ксилиндеин перспективным в качестве компонента носимых электронных устройств.

 

Возможность образования стопок из молекул по аналогичному механизму может приводить не только к увеличению электропроводности, но и повышает теплопроводность. Так, недавно именно этот эффект помог химикам впервые получить полимерный материал, который способен эффективно проводить тепло во всех направлениях примерно на порядок лучше традиционных полимеров.

 

По материалам Индикатор (1, 2, 3 и 4), Naked Science (5 и 6), N+1 (7)

#естественные_науки, #техника, #экология, #наукороссия

Избранное
Чтобы оставить комментарий, вам нужно авторизоваться
с помощью аккаунта в соц.сети
Включите премодерацию комментариев
Все комментарии к этому посту будут опубликованы только после вашего подтверждения. Подробнее о премодерации